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1、南 京 工 业 大 学材料工程基础课程设计设计题目： 列管式换热器煤油处理能力 20104 吨/年 专 业： 高分子材料 班 级： 姓 名： 学 号： 日 期： 2011/06/20-2011/07/01 指导教师： 设计成绩： 列管式换热器设计任务书（一）设计题目 列管式换热器设计煤油处理能力20103吨/年（二）设计任务及操作条件1、处理能力 列管式换热器设计煤油处理能力吨20103/年2、设备型式 列管式换热器3、操作条件（1）釜残液：煤油，入口温度102，出口温度40（2）冷却介质：井水，入口温度18，出口温度32（3）换热器的管程和壳程压强降：不大于105 Pa（4）煤油平均温度下的
2、物性参数：名 称（kg/m3）Cp (kJ/.)） (W/m.)煤 油9864. 1910-3 表11（5）每年按300天计算，每天24h连续运行（三）设计要求及内容 （1）根据换热任务和有关要求确认设计方案（2）初步确认换热器的结构和尺寸（3）核算换热器的传热面积和管,壳程流体阻力（4）确认换热器的工艺结构（5）绘制列管式换热器的工艺流程图及主体设备工艺图目 录一.设计方案简介. 41.2 列管式换热器二.热量设计 72.1.初选换热器的类型 三.、的校核.8四. 壁温核算.11五压降差的校核12六工艺结构设计146.3.其他附件七. 辅助设备的计算择.167.1接管计算7.2泵的选择八.
3、设计结果表汇.18九主要符号说明.19十小结20十一工艺流程图与设备图.21十二.参考文献.22注：（工艺流程图和设备图见附图）一 设计方案简介1.1换热器的概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器广泛应用于机械、动力、运输、空调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域中，其性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程，它不仅仅是确定一个或者多个可行的解决方案，还要求确定最可能的或接近最优的设计方案。本书详细介绍和应用传热学、流体力学、热力学和微积分学基础课程的基本概念，以拓展换热器理论基础
4、。介绍和应用换热器设计技术，以解决工业实践中遇到的换热器实际问题。本书可作为热工基础理论知识与工业热工设计实践之间的纽带，适用于在职工程师和在校大学生研究生学习及工程应用。 换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛。 间壁式换热器的类型也是多种多样的，从其结构上大致可以分为管式换热器和板式换热器。管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括型板式、螺旋板式和板壳式换热器。1.2列管式换热器 列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛应用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大
5、型装置中使用更为普遍。U形管式每根管子都弯成U形，两端固定在同一个管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。其缺点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的弯曲半径，其管板利用率较低。图1-1U形管式换热器的示意图浮头式 浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管
6、板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。图1-2浮头式换热器的示意图固定管板式 固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性形变，以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简便，但不宜用于两流体温度差太大和壳方流体压强过高的场合。图1-3固定管板式换热器的示意图二 热量衡算 两流体的温度变化情况如下：（1）煤油：入口温度
7、102，出口温度40；（2）冷却介质：自来水，入口温度18，出口温度32（自定）； 该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素， 估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。2.2确定物性参数定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程流体（煤油）的定性温度为：管程流体（硬水）的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。密度/ （/m3）比热容/（kJ/kg）粘度/（Pas）导热系数/（W/m）煤油986水(25)
8、997(1).煤油的流量已知要求处理能力为吨煤油每年（每年按300天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：-热流体的流量，kg/h；(2).热负荷由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：Q=Cph(T1-T2)=27750kg/h（102-40）=W(3).平均传热温差 计算两流体的平均传热温差 ，暂时按单壳程、多管程计算。 逆流时，我们有 煤油： 10240 水： 3020 从而 = 此时P= R=由图4-25（参见化学工业出版社的化工原理（第四版）147页，可查得：0.8，所以，故可选用单壳程的列管换热器。(4).冷却水用量 由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：Q=k
9、g/h(5).总传热面积的估算 初选传热系数的值范围是290698,假设=530 传热面积： 三 以及的校核项目数据项目数据壳径D(DN)800mm管尺寸25mm2 mm管程数Np（N）6管长（L）3000mm管数n322管排列方式三角形排列传热面积表3-1 = =m2 =464W/m2i： = =（）（）= = Re1= Pr1= i= 2ko 换热器中心附近管排列中流体流通截面积为： = 煤油的流量为 流速为： =0.1491 m/s 正三角形排列可知： 当量直径： = Re2= Pr1= Re2在2000-1000000范围内，故用以下公式： =0.95（由于液体被冷却） 6 =1945
10、 W/m2k 污垢热阻： Rsi2/W Rso=0.000172 m2/W管壁的导热系数： =45 m2/W W/m2kW/m2 W/m2k，故裕量为： H=24.4%表明该换热器负荷要求。四 壁温核算 核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下公式计算： 112=i2k， = 2502 W/m2k = =71-40=30 与假设基本一致，符合条件，不需要热补偿装置。五 压降差校核5.11管程流动阻力 管程压力降的计算公式为： Re=2097610000，为湍流，传热管相对粗糙度为查流速,所以 管程流动阻力在允许范围之内。5.1.2壳程流动阻力 壳程压力降埃索法公式为： 式中 流体横过管束的压力降，Pa； 流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa； Fs壳程压力降的垢层校正系数，对液体Ft=1.15； Ns壳程数； 其中 ，, F管子排列方法对压力降的校正系数，对正三角形排列，F=0.5，对正方形斜转45o排列，F=0.4，正方形排列，F=0.3; fo壳程流体的摩擦系数，当Re500时， nc横过管束中心线的管子数，对正三角形排列nc NB折流挡板数
